徐明宏 梁鸿途 任碧航 王世龙 李牛

摘要：随着社会经济和生产制造业的飞速发展，软体手爪逐渐成为机器人技术领域的热点研究对象，由于传统机器人手爪与被抓对象之间一般存在刚性接触，且市面上的软体手抓也存在不同问题，如手爪姿态和张角不能调节、手爪自身机械强度不够等。为实现对小型、易碎、不规则物体稳定抓取的便捷，研究设计一种新式仿生软体手爪，即多功能仿生手爪。该手爪采用新型结构，运用仿生夹取技术，可对不同规格的物品进行抓取，能有效提高工作效率，满足不同的市场需求。

关键词：软体手爪;多功能;生产制造

1 引言

近年来，传统工业机械手的相关技术已经趋于成熟，其使用也不再局限于普通的工业环境，但由于其末端执行器存在体积大、灵活性差、通用性差等诸多问题，导致很多轻型产业无法适用。机械手爪与加持对象需进行直接接触，其性能好坏对机器人工作效率便有着至关重要的影响。随着仿生技术以及材料技术的迅速发展，人们对仿生软体机械手爪的研究兴趣与投入越来越深入。软体机械手爪凭借结构柔韧度高、自由度不同和连续变形能力等优势，得到了国内外不同行业的广泛关注。从应用领域区分，软体抓持装置可用在农业、工业、医疗和服务等领域; 从结构形式上可分为多指抓握机械手、类章鱼触手的卷曲抓持装置和基于负压变形的薄膜抓持装置; 从驱动方式分为流体驱动、绳索驱动和功能材料驱动[2]。机器人技术研究虽然只三十年的历史，但却显示了旺盛的生命力。近年来，发达国家竞相争先，发展中国家急起直追，其根本原因正是在于机器人技术所具有的应用价值和特殊的研究意义，以及人们对机器人技术的深刻认识。应该看到，目前广泛应用的机器人均采用传统的机械传动方式，其结构愈来愈复杂、庞大，精度要求也愈来愈高，从而其成本也很高。因此，寻求新的、简单而有效的机构形式，已经成为了国际化研究方向。

根据近年来国际机器人的发展情况，夹具的功能需求也越来越多样化，为实现抓取的自由性和广泛性，实现机器人技术在分拣、装配上的进一步加强，各国已经相继开发并研究了新式仿生软体手爪，软体手爪相对于传统手爪具有更好的发展趋势，但存在一些问题，例如机械强度低、负载量小、使用寿命短等问题。为进一步加强、改善其存在的各种问题，项目设计提出了新式多功能仿生手爪，采用复合的结构以加强机械强度，进一步满足产业体系及市场需求。

2 系统总体设计

多功能手爪的总体结构设计如图1所示。

该夹具是一款具有适应特征的多功能仿生手爪，为实现抓取各类物品配有不同规格的爪體，可实现一爪多用、减少成本的优点，方便于抓取易碎、小型以及不规则物体，可大幅度提高夹取的稳定性与安全性，使被抓物体不被机械损坏，同时降低操作危险性。

（1）该手爪采用钳形结构模拟鸟喙的夹取方式，类钳形双指可最大程度减少制造成本，鸟喙似的夹取方式可更好的传导受力。爪体部分采用可旋转的设计，使得指体与爪体连接在一起，爪体部分既可采用螺丝收紧（方便更换不同类型爪体）也可使用采用气动旋转接头（更好的实现自动切换），指体部分装于支座上与气缸动作部位相连，支座内部采用平行夹爪类型气缸（或柱状气缸），动作原理模拟鸟喙抓取方式，并进一步提高器具性能，增强其适应能力。

（2）设计采用柔性材料构成爪体部分，由于软体材料在机械强度上远远低于常规刚性材料，因此在指体部位使用刚性材料能更好的增加负载能力。软体爪部分采用纹理手段加强与工件之间的摩擦，既可使夹爪与物品之间保持很好的柔性接触，又能防止在使用过程中夹取的不规则形物体脱落。气动部分可加入气压传感器已达到调节气压的作用，接触端通过压力传感器回复夹取信号，通过材料与气压缓冲等多重保险精准抓取力度，预防损坏被夹物体。

（3）其中采用气动收缩设计，使传动更加便捷、结构更加简单，爪体可通过旋转达成双形抓取方式，爪体可进行替换，增加适应能力。软体材料也可在不同的环境下采用不同的连接方式，可以满足对各种类型的物品实施抓取，且进一步提高手爪自由度，满足夹取时的不同需求。

（4）设计可通过PLC控制，运用指令段控制气缸开合进行动作，搭配传感器输出信号加以模拟控制，编写不同的程序可实现不同动作的多套夹取方式，例如模拟常用流水线装配工作、汽车组装等。人机结合的控制方式能进一步提升自动化性能。

3 硬件设计与实现

多功能仿生手爪通过模拟动物的行为和动作，能有效克服机械在协调、运动方面的种种

问题，使其动作更加流畅、标准。机械结构简单，仅通过两指形实现对物体的抓取，在降低成本的同时增强性能。传动方式续用现阶段热门的气动方式，传动思路简明清晰，相对电动机可减少占用空间和复杂程度，并留有一定的拓展性功能多变，可更换不同爪体，更替使用多种爪体可有效避免绝大多数问题，使之自由度大大提升，满足“控制论”理论，奠定了手爪在使用上表现力及实用性，更好的模拟抓取过程。

3.1 外形结构

在此，夹具以仿生鸟喙夹具为基础，同时结合材料及使用需求设计或改造结构特点，需

结合仿生以及机械构造进行分析。根据夹取对象的不同，寻找在动作和强度上的最优路线。同时依据动作和功能需求的最优值，将副抓手安装至于最佳的位置，既不需要改变手爪传统使用模式，又可以达到结构简单、动作流畅的优势。在传动装置空间占比和造价之间择优选择，完善改进其使用功能，使手爪真正的实现多功能易操作。

3.1机械组装

由于近年来机械制造业的不断发展，也带动了机械夹具的发展进程。多功能仿生手爪在

基于普通夹具的基础上增加功能爪手，以此来提高器具使用的多变性，因此需要合理的结构设计与组装，若想达到通过改变末端动作和更换爪体的方式满足功能需求，则一定要考虑夹装位置、夹装形式等多个条件。因此这里采用轴装方式实现副手更换，最简单直观的方法是运用螺栓连接，并拓展附加气动旋转接头的方式，使之可以实现自动90°旋转的设计，但在装配上需合理安排空间。

考虑到机械连接以及传动方式，在此将使用solidworks进行机械结构建模，绘制组装流程图纸，并模拟夹取时的运动方式。考虑到夹取时的受力问题，组装过程中需要考虑材料机械强度以及如何缓冲夹取冲击，因此考虑使用压力传感器及双重缓冲的应对方式，对组装要求更加严格，夹取的精准度与力度合理取舍，组装方式可根据气缸类型的不同分为两种，如上图所示。

3.2 传动过程

在机械传动中，考虑到多功能仿生夹具的夹取方式及便捷度，在此采用以气压传动为主的传动方式，满足需求的同时大大提高通用性，需要用到气泵、调压阀、电磁阀等多种元件，在使用过程中通过连接气路、改变气压实现开合信号传递，也可通过把控气路的安装调试以及压力的最佳范围来保证夹取力度，同时拓展研究一气双动的使用方式，力求于使爪体可通过单个气缸实现动作，不仅能使夹具的操作更加简易，还能进一步控制实现精准夹取。

4 系统控制方式

由于手爪常应用于生产制造业，因此控制方式需尽可能简化，不仅适用于广大客户，同时也便于后期维修。

这里，多功能仿生手爪优先可进行手动调试，通过对气路的连通实现动作过程，人为更换抓手。还可通过嵌入式或PLC实现程序控制，在实现自动控制时需合理使用电磁阀，控制气动部件合理进行动作，根据不同场合对手爪的动作方式不断改善，并合理使用传感器达到报警功能，同时解决对异常情况下报警的修复工作。通过改变PLC程序达到不同的控制方式，智能化选择夹装路线，实现自动型控制。

5 结论

机械手爪现阶段在机械制造行业中应用较多，同时发展也很迅速。目前不仅可用于自动取放不同产品、加工中心、不同机床的上下料、运输流水线行业对各类物品进行分拣，以及进行点焊、喷漆等作业，它不仅可以人为手动进行运作，还可按照事先给定的程序来完成规定的操作。机械手爪的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手，使它具有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，相应的变更[5]。但此类机械手技术尚未成熟切不易于用于生产制造行业，机械手爪市场前景的开阔不仅仅为工业的制造生产带来现代化的技术，且随之而来的现代化管理模式也将大大改变企业的生机和活力。下一步将融合智能制造，拓展更多控制方式，升级转型，使其在应用领域能大展风采。

参考文献

[1]陶守成，周平. 工业机器人夹具设计与应用[M].人民交通出版社，2019.

[2]刘庚. 一種变刚度柔性手爪设计及其性能研究[D].西安理工大学，2020

[3]方海峰，黄希，范纪华，陈立威，谷通顺. 仿鸟喙微型气动软体机械手爪的设计及优化[J]. 机械科学与技术.

[4]刘俊，杨新志，王云锋.基于数值优化的柱状铸件通用机械手爪设计及其运动仿真分析[J]. 机电产品开发与创新.2020（06）

[5]张颖，乔贵方，万其，范中凯. 具有自适应能力的3指机械手爪的设计与实现[J].机械设计.2020（11）

基金项目：天津市大学生创新创业训练计划项目“多功能仿生手爪”（项目号：202110066087）